Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 27. Ядерні реакції. Ядерна енергетика

Опрацювавши параграф, ви навчитесь оперувати поняттями і термінами: ядерна реакція, ядерний реактор.

Зможете пояснити: закон радіоактивного розпаду, принцип роботи АЕС.

Ознайомитесь із внеском ядерної енергетики в екологічну, економічну та енергетичну безпеку України.

ЯДЕРНА РЕАКЦІЯ. Внаслідок ядерних реакцій можуть утворюватись нові радіоактивні ізотопи, яких немає на Землі у природних умовах. Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 р. бомбардуванням атомів Нітрогену α-частинками. При зіткненні частинок відбувалася ядерна реакція за схемою:

Ядерна реакція — це процес перебудови атомного ядра під впливом γ-кванта або зарядженої чи нейтральної частинки, що супроводжується утворенням нового ядра і нової частинки чи γ-кванта.

В основі ядерних реакцій, як і в основі хімічних перетворень, перебувають закони збереження маси та енергії. Тому при записі ядерних реакцій треба стежити, щоб сума зарядів (нижні індекси) реагентів та продуктів реакції і сумарна маса частинок (верхні індекси) до і після реакції були однакові.

Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно або при бомбардуванні речовини швидкими частинками. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної радіоактивності. Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічними (супроводжуються поглинанням тепла) й екзотермічними (супроводжуються виділенням тепла).

За допомогою реакцій ядерного синтезу одержано елементи, які не зустрічаються в природі, наприклад:

Ядерні реакції синтезу — взаємодія ядер атомів хімічних елементів з елементарними частинками або з ядрами інших елементів, внаслідок якої ядра об'єднуються, утворюючи ядро іншого хімічного елемента.

Ядерні сили проявляються лише на відстанях, менших за величиною діаметра ядра (10^-15 м). Для того, щоб подолати кулонівське відштовхування протонів у однойменно позитивно заряджених ядрах, треба передати ядрам, що будуть зливатися, енергію, необхідну для такого злиття. При злитті легких ядер виділяється енергія, яку називають термоядерною, вона більша за енергію, що виділяється при поділі важких ядер:

Загалом у цій реакції виділяється 17,6 МеВ. Це одна з найбільш перспективних термоядерних реакцій. Термоядерні реакції ефективно відбуваються за температур понад 10⁷К. Це надзвичайно висока температура. При такій температурі речовина перебуває в повністю йонізованому стані, який називається плазмою. Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах дає людству можливість отримати екологічно чисту і практично невичерпну енергію (на відміну від реакцій поділу важких ядер, у результаті термоядерного синтезу не утворюються радіоактивні відходи).

ЗАКОН РАДІОАКТИВНОГО РОЗПАДУ. Кількість речовини, ядра атомів якої розпадаються, весь час змінюється. Цю кількість характеризує період піврозпаду (Т) речовини.

Період піврозпаду — фізична величина, що характеризує швидкість розпаду радіонукліда й чисельно дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер цього радіонукліда.

Якщо в початковий момент часу (t = 0) було N₀ радіоактивних ядер (рис. 27.1), то за період піврозпаду Т кількість їх стане вдвічі меншою Ν₀/2, ще через такий самий час Т їх уже буде N₀/4 тощо.

Рис. 27.1. Графічне відображення закону радіоактивного розпаду

Це і є основний закон радіоактивного розпаду.

З практичного погляду важливою характеристикою процесу радіоактивного розпаду є швидкість, з якою розпадається та чи інша радіоактивна речовина. Наявність радіоактивних речовин у середовищі часто буває дуже малою. Оскільки швидкість розпаду радіоактивних ізотопів різна, то однакові за масою радіонукліди мають різну активність. Чим більше ядер розпадається в одиницю часу, тим більша активність.

Активність радіоактивної речовини — фізична величина, яка характеризує інтенсивність радіоактивного розпаду й чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певній радіоактивній речовині за одиницю часу.

Активність позначають латинською літерою А. Одиницею активності в СІ є бекерель (Бк): [A] = 1 Бк.

1 Бк — активність радіонукліда, в якому за одну секунду відбувається один розпад.

Оскільки бекерель дуже мала величина, то в ядерній фізиці часто використовують позасистемну одиницю активності кюрі (Кі). 1 Кі відповідає активності 1 г Радію (1 Кі = 3,7 · 10¹⁰ Бк).

Розпад того чи іншого ядра в певний момент часу є випадковою подією. Ми не можемо сказати, що станеться саме з цим ядром. Явище радіоактивного розпаду має ймовірнісний характер, і який саме атом розпадеться в той чи інший момент часу — невідомо. Але для великої кількості атомів статистично розпадається половина за час періоду піврозпаду.

Для кожної радіоактивної речовини період піврозпаду є сталою величиною. За одиницю часу з наявної кількості атомів завжди розпадається певна їх частина, яку називають сталою радіоактивного розпаду цього радіоактивного елемента (табл. 27.1).

Таблиця 27.1

Сталі радіоактивного розпаду деяких радіонуклідів

Стала радіоактивного розпаду радіонукліда — фізична величина, що характеризує середній час життя атома радіонукліда й чисельно дорівнює частині атомів, що розпадаються за одиницю часу із загальної кількості атомів.

Сталу радіоактивного розпаду позначають малою грецькою літерою λ.

Ці фізичні величини пов'язані співвідношеннями:

Основний закон радіоактивного розпаду записаний з використанням сталої радіоактивного розпаду має вигляд:

ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР. Запаси палива на Землі є обмеженими. За прогнозами спеціалістів запаси нафти та газу будуть вичерпані приблизно через століття, а запаси вугілля — через 300-500 років. Тому зрозуміло, що без ядерної енергії та створення ядерної енергетики людству не розв'язати енергетичну проблему.

Перший ядерний реактор на теренах України ВВР-М (рис. 27.2) став до ладу 12 лютого 1960 р. в Інституті ядерних досліджень НАН України. Інститут ядерних досліджень має широкі наукові зв'язки. Проводяться спільні дослідження з науковцями Росії, США, Франції, Німеччини, Італії, Австрії, Польщі, Швеції, Нідерландів, Японії та інших країн.

Рис. 27.2. Дослідницький ядерний реактор ВВР-М в Інституті ядерних досліджень НАН України (http://www.kinr.kiev.ua/)

Ядерний реактор — пристрій, в якому підтримується керована реакція ділення ядер.

У ядерному реакторі використовують ядерне паливо, наприклад, Уран. Як уповільнювач нейтронів використовують важку чи звичайну воду, графіт. У сповільнювачі розміщені стрижні з ядерним паливом (тепловидільні елементи — ТВЕЛи). Нейтрони, стикаючись із ядрами уповільнювача, втрачають свою швидкість, від чого зростає ймовірність їх захоплення. У результаті поділу Урану виділяється теплова енергія, яка розігріває теплоносій. Як теплоносії використовують воду під тиском чи рідкий Натрій, Літій. Теплоносій утворює первинний контур, який відводить теплову енергію безпосередньо із зони реактора і передає її теплоносію другого контура (вода), яка перетворюється в пару, що потім і обертає турбіни електрогенератора.

Стінки активної зони реактора вкриваються речовиною (наприклад берилієм), яка, немов дзеркало сонячні промені, відбиває швидкі нейтрони від стінок в активну зону реактора, де розміщено ТВЕЛи. Як біологічний захист зазвичай використовують залізобетонну стіну завтовшки в декілька метрів. Схему будови ядерного реактора наведено на рис. 27.3.

Рис. 27.3. Схема ядерного реактора

ВНЕСОК АТОМНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ В ЕНЕРГЕТИЧНУ БЕЗПЕКУ УКРАЇНИ. За останні роки в багатьох країнах світу спостерігається зростання атомної енергетики в галузі енергозабезпечення. Якщо в 1960 р. атомна енергетика забезпечувала менше 1 % потреб людства в електроенергії, то на сьогодні — близько 15 %.

Для науково-технічної співпраці в галузі мирного використання ядерної технології 29 липня 1957 р. було створено Міжнародну агенцію з атомної енергії (рис. 27.4), або МАГАТЕ (англ. International Atomic Energy Agency). МАГАТЕ встановлює стандарти ядерної безпеки і захисту довкілля, надає країнам-членам технічну допомогу, а також заохочує обмін науковою і технічною інформацією щодо ядерної енергії.

Рис. 27.4. Головний офіс МАГАТЕ у Відні (Австрія)

Після Чорнобильської аварії з'явилося поняття «культура безпеки», сформульоване міжнародною консультативною групою при МАГАТЕ. Питанням безпеки атомних електростанцій надається найвищий пріоритет. Культура безпеки має бути основою стратегії розвитку атомної енергетики України. У ідеалі в галузі атомної енергетики як технології вищого порядку, повинні бути створені умови, що вунеможливлюють будь-яку аварію.

Детальніше про найбільші техногенні аварії в атомній енергетиці, що сталися на Чорнобильській АЕС та японський АЕС Фукусіма, ви вивчали в 9 класі.

Підручник «Фізика-9»

У енергозабезпеченні України частка ядерної енергії — понад 55 %, а у вихідні дні, коли промислові підприємства здебільшого не працюють, ця частка становить понад 70 %. Це четверте місце в світі за забезпеченням енергією країни з АЕС, після таких європейських країн, як Франція, Словаччина, Угорщина.

Важливо, що вартість електроенергії, виробленої на АЕС, є найнижчою порівняно з іншими типами електростанцій. У вартості електричної енергії лише 32,77 % становить енергія АЕС.

У жовтні 1996 р. для ефективного й безпечного управління діючими атомними електростанціями України було створено Державне підприємство «національна атомна енергогенеруюча компанія «Енергоатом», яка є оператором чотирьох діючих атомних електростанцій України (рис. 27.5), на яких експлуатується 15 атомних енергоблоків, з яких 13 типу ВВЕР-1000 і два — ВВЕР-440, загальною встановленою потужністю 13 835 МВт. Дванадцять енергоблоків Україна успадкувала від СРСР, ще три були запущені після його розпаду, у 1995 і 2004 р.

Рис. 27.5. Атомні електростанції України

Для ядерних джерел енергії характерна компактна форма відходів і технічно обґрунтована можливість їх концентрації та локалізації. До певного часу всі екологічні проблеми ядерної енергетики зводилися до складнощів в утилізації відходів виробництва станцій.

В Україні над вирішенням цієї проблеми працюють вчені Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення імені М. П. Семененка Національної академії наук України. Однією з найважливіших проблем, що постають перед вченими, є захоронення відпрацьованого ядерного палива.

Неухильний контроль за роботою АЕС із боку держави й міжнародної спільноти дає змогу мінімізувати негативний вплив АЕС на довкілля й запобігти аваріям.

! Головне в цьому параграфі

В основі ядерних реакцій, як і в основі хімічних перетворень, перебувають закони збереження маси та енергії. Тому при записі ядерних реакцій треба стежити, щоб сума зарядів (нижні індекси) реагентів та продуктів реакції і сумарна маса частинок (верхні індекси) до і після реакції були однаковими.

Явище радіоактивного розпаду має ймовірнісний характер, і який саме атом розпадеться в той чи інший момент часу — невідомо. Але для великої кількості атомів статистично розпадається половина за час періоду піврозпаду.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. У чому відмінність між хімічною та ядерною реакціями? 2. Які види ядерних реакцій ви знаєте? 3. Які перетворення енергії відбуваються в ядерних реакторах? 4. Чому для здійснення ланцюгової реакції поділу ядер атомів Урану треба мати певну кількість Урану? 5. Чому реакція синтезу легких ядер відбувається тільки за дуже високих температур? 6. Допишіть рівняння ядерних реакцій: ⁷₃Li + ? → ⁸₄Be + ¹₀n; ⁶₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ?